甲烷湍流射流燃烧系统氮氧化物模型的研究

【摘要】： 燃烧系统中生成的氮氧化物是环境污染的一大来源,对其进行研究具有重要意义。随着计算科学的发展,NO_x模拟逐渐成为燃烧过程污染物研究的一个有力工具,因而对氮氧化物系统中反应机理和传递过程数学模型的研究都提出了很高的要求。但是,到目前为止,多数NO_x模型在反应过程中简单地用总包反应代替氮氧化物生成的详细化学反应,在传递过程中则采用温度脉动PDF和浓度或混合分数脉动PDF的乘积;少数NO_x模型用单参量PDF或部分平衡的有限反应速率PDF。现有文献报道的模拟结果多数仅在数量级上或定性趋势上与实验接近,但在定量上存在显著差距。因此,氮氧化物生成在反应和传递过程建模及计算上仍大有改进的余地,而计算流体力学(CFD)方法为此研究提供了一种新的途径。 本文首先对甲烷湍流燃烧反应中的动量传递模型、质量传递模型、能量传递模型以及湍流-化学反应相互作用的燃烧反应速率模型进行了分析研究,针对甲烷燃烧反应系统圆管射流、湍流燃烧、快速反应等特点,分别选用涡耗散反应速率模型和Realizablek -ε、Standardk -ω、Reynold Stress三种湍流模型,运用CFD方法,对湍流燃烧反应温度场、速度场和完全反应后的主要反应物和产物浓度场进行模拟研究,并将计算值与美国Sandia国家重点实验室提供的环流甲烷湍流射流火焰的实验数据进行了全面的对比研究。结果表明,在甲烷湍流燃烧反应系统中运用Realizablek -ε和Reynold Stress模型计算的结果与实验值相差较大,只有采用Standardk -ω湍流模型计算的结果与实验数据最为接近,误差基本在10%以内,且在部分完全反应区域中可以达到与实验数据完全一致。本文重在通过采用基元反应法和更新的甲烷燃烧速率常数项,建立一个热力型NO_x化学动力学新模型,进而结合联合概率密度函数方法,得出一个考虑湍流脉动的NO_x生成模型。运用此模型对甲烷湍流射流燃烧反应系统中NO_x生成进行了数值求解,计算值与实验值吻合良好,误差基本控制在5%以内,比FLUENT模块中的平衡模型和部分平衡模型的计算精度大大提高。 【关键词】：NO_x生成模型 计算流体力学模拟 湍流模型 甲烷燃烧 传递模型
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK16
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-21
• 1.1 燃烧过程中产生氮氧化物的危害8-9
• 1.1.1 氮氧化物对人类健康的影响8
• 1.1.2 氮氧化物对森林和作物生长的影响8-9
• 1.1.3 氮氧化物对全球气候变化的影响9
• 1.2 氮氧化物模型的研究与应用9-18
• 1.2.1 综合模型9-10
• 1.2.2 简化的动力学模型10-12
• 1.2.3 关联矩模型12-13
• 1.2.4 Arrhenius-EBU 模型13-14
• 1.2.5 概率密度函数（PDF）模型14-16
• 1.2.6 新二阶矩模型16-17
• 1.2.7 小结17-18
• 1.3 CFD 软件简介及选择18-19
• 1.4 本课题的主要研究内容及意义19-21
• 第二章 燃烧过程传递模型21-35
• 2.1 传递模型分析21-25
• 2.1.1 湍流模型21-24
• 2.1.2 燃烧反应速率模型24-25
• 2.2 燃烧过程传递模型的建立25-34
• 2.2.1 传递控制方程25-32
• 2.2.2 质量传递模型32-33
• 2.2.3 热量传递模型33-34
• 2.3 小结34-35
• 第三章 燃烧实验数据分析及传递模型数值求解35-49
• 3.1 甲烷湍流射流燃烧实验及数据分析35-37
• 3.1.1 甲烷湍流射流燃烧实验35-36
• 3.1.2 计算边界条件36
• 3.1.3 测量点及对比参数分析36-37
• 3.2 基本假设及计算区域37-38
• 3.3 数值求解网格策略38
• 3.4 燃烧反应计算结果分析38-48
• 3.4.1 温度场和速度场分析39-42
• 3.4.2 湍流燃烧反应主要物质浓度场分析42-48
• 3.5 小结48-49
• 第四章 NO_x生成模型及其模拟的研究49-61
• 4.1 FLUENT 模块中的NO_x模型分析49-55
• 4.1.1 热力型NO_x49-52
• 4.1.2 瞬时型NO_x52
• 4.1.3 传统NO_x 模型的计算结果52-55
• 4.2 新NO_x生成模型的提出55-60
• 4.2.1 新模型的建立55-58
• 4.2.2 新模型动力学参数确定58
• 4.2.3 数值模拟及其结果分析58-60
• 4.3 小结60-61
• 第五章 结论与展望61-62
• 参考文献62-70
• 硕士期间发表论文及参加科研情况70-71
• 附录71-72
• 致谢72

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